摘要
梯级大坝的建设对河流水文循环和水生态环境产生了深远的影响。本文对金沙江下游4个梯级深大水库（水深＞150 m），依次为乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝，在丰水期热分层期间的氢、氧同位素值（δD和δ18O）进行垂向测定，探究同位素指示下水源、气象及水库建设的分层动力学等对河流水循环的作用。通过MixSIAR模型对研究区水体来源进行定量分析，得到偏枯年份（2023年）的丰水期大气降水和冰川融水为金沙江下游的主要水源补给，占比分别为89.8%和10.2%。水源的占比在丰、枯水年，以及年内的丰、枯水期内发生变化，表现为丰水期水库入流的氢氧同位素值相对高于枯水期。热分层期间，受蒸发、地下水和支流等因素的综合影响，库区同位素值在垂向剖面上呈现复杂的差异性。层化现象导致水体垂向交换减弱，通过垂向二维数值模型反演，表温层水域流动性快，携带丰水期水体信息，而深层的滞温层水体表现为混合期冬、春季节枯水期水体的滞留特性。上游乌东德库区位于干热河谷区，表层水体的氘盈余均值低至-26.40‰，δ18O均值为-11.15‰，表层蒸发效应显著高于其余3个水库。此外，部分垂线底层水体δD值的变化反映了乌东德水库坝前、白鹤滩近库尾及溪洛渡坝前的底层水体均受地下水入渗影响。大坝拦截增加了水体的水力停留时间，加强了蒸发富集作用，从库尾至坝前，乌东德、白鹤滩和向家坝水库的δ18O值均具有逐渐上升的趋势。梯级水库的累积效应主要表现为表层水体的δD均值从上游（-115.62‰）至下游（-100.66‰）逐渐升高，δ18O均值呈先降低后升高的波动增长趋势，乌东德水库的δ18O均值最高，而白鹤滩水库的δ18O均值（-15.36‰）最低。本研究可为流域系统调度管理提供理论参考。
Abstract
The construction of cascade dams had profound impacts on the riverine hydrological cycle and ecological environment. In this study, vertical measurements of hydrogen (δD) and oxygen (δ18O) isotope were carried out in 4 deep reservoirs (water depth ＞150 m) in the lower Jinsha River, named Wudongde Reservoir (WDD), Baihetan Reservoir (BHT), Xiluodu Reservoir (XLD), and Xiangjiaba Reservoir (XJB), during the wet season with thermal stratification, to investigate the roles of water sources, stratification dynamics, and meteorology, as indicated by the isotope values. Based on the quantitative analysis of water sources area by using the MixSIAR model, the results showed that in the dry year (2023), atmospheric precipitation and ice-melt were the main water sources of the lower reaches of the Jinsha River, accounting for 89.8% and 10.2%, respectively. The proportions of these two sources changed in the wet and dry years, as well as the dry and wet seasons in a year. δ18O and δD in runoff were typically higher during wet seasons compared to dry seasons. The vertical profiles of these values showed complex variability influenced by thermal stratification, evaporation, groundwater inflow, and tributaries. Thermal stratification impaired vertical exchanges. The 2D numerical model results indicated that the rapid flow in the middle and lower epilimnion carried the information of the wet period, while water in the hypolimnion reflected stagnant conditions of the previous months during dry seasons. WDD Reservoir, situated in a dry-hot valley, experienced significant surface evaporation effects. The average deuterium excess of surface water was low at -26.40‰, and the average δ18O was -11.15‰. The surface evaporation effect was significantly higher than other reservoirs. In addition, changes in vertical δD indicated influence from groundwater infiltration in bottom waters near WDD, reservoir tail of BHT, and XLD. Dam interception increased hydraulic retention time and enhanced evaporation. δ18O of WDD, BHT and XJB gradually increased downstream from the reservoir end to the dam front. Cascade reservoirs cumulatively caused surface water δD to increase from -115.62‰ of upstream to -100.66‰ of downstream, while average δ18O initially decreased and then raised. WDD had the highest average δ18O, with BHT the lowest (-15.36‰). This study can provide theoretical references for the basin management of the reservoir regulations.
河流是陆海水循环的通道，水库大坝拦截破坏了河流的连续性，增加了水力停留时间（HRT）和水分蒸发[1-3]，水库群对径流的调节改变了河流生物地球化学循环过程，影响河流生态系统[4-5]。长江流域至2017年已建大坝52601座，占全国已建大坝的一半以上[6]，大坝建设产生的累积效应及其对流域水循环、物质循环和生态环境演变的影响一直是国内外关注的热点。
河流中的氢氧稳定同位素对当地环境条件的变化敏感，通常用作水体迁移、转化的溯源和追踪，以及水汽来源的指示[7-10]。具有区域同位素信息的支流及通江湖泊汇入长江干流，总体上干流同位素值具有沿程增加的趋势[2]，中下游的洞庭湖和鄱阳湖因滞水和蒸发效应，出湖同位素值均高于长江干流[11-12]。水库建设运行体现类似湖泊的滞留和蒸发效应。长江干流库容最大的三峡水库调和了上游支流带来的不均匀性，在水库下游表现出均匀特性[13]。嘉陵江梯级水库表层水体的同位素值沿程有偏正的趋势，梯级水库的多次拦截导致末级草街水库的氢同位素值（δD）和氧同位素值 （δ18O）的年内均值（-55.5‰和-8.7‰）高于首级亭子口水库（-61.7‰和-9.5‰）[14]。乌江4座梯级水库出流水体相比入流的同位素值发生改变，δD和δ18O值呈阶梯式增加[15]。与1980s相比，21世纪前15年长江流域水库群的建设使水循环在出海口处滞后一个月[16]。长江上中游干支流电站的陆续完工将持续对长江下游水循环产生深远影响。
受降雨、季节性蒸发和水文流入等因素作用，河、湖水体的氢氧同位素值在年内丰、枯水期呈现显著的差异性，与1月相比，5月长江中下游的大部分湖泊（鄱阳湖、巢湖等）受到较强的蒸发富集作用[17]。深大水库分层期，表层水体受蒸发富集影响，底层水体受分层取水措施（缓解低温水下泄）的影响，滞留时间增加，当分层结束，水体垂向均匀混合，底层水体得到更新[18]。五里峡分层水库的氢氧同位素值呈现表水层＞入库水体＞变温层＞底温层＞出库水体的垂向分布特征[19]。泸沽湖δ18O值在垂向上呈现出明显的季节变化，丰水期δ18O值的垂向分层与热分层位置基本一致，在垂向上的最大差值约为1.5‰，相关性分析表明水温、pH和DO等都不是影响其δ18O值的主要因素[20]。热分层导致乌江梯级水库的δD和δ18O值随着深度的增加而减小，然而，影响水体同位素值垂向变化的机理较为复杂，针对分层梯级水库水体的运动及混合特性，关于氢氧同位素值的垂向分布特征及驱动鲜有研究。水库表层水体受外界降水、蒸发及水动力条件等影响，深层水体受地下水、滞留时间等影响，要探究梯级水库同位素值时空分布的机理相当复杂，同时对于水库调度及其方式对水循环影响的认识也并不充分。
为了定量分析水体来源，可通过模型进行计算，如两端元线性混合模型[21]。但对于多个来源的复杂水体系统，线性混合方法适用性降低，贝叶斯混合模型（MixSIAR）包含与多种来源有关的判别因子，能够辨别各类水体的转化关系，考虑各类来源的不确定性和复杂性，更加精确地计算出水源的贡献率[22-23]，相比于传统的线性混合模型更具优势[24]，被广泛运用。
本文以金沙江下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座梯级水库为研究对象，对丰水期分层水体进行采集，测定分析氢氧同位素，结合数值模型结果，以期明晰热分层水库中氢氧同位素值的空间分布特征，揭示热分层水库在水深上的变化驱动，进一步厘清大型梯级水库对水循环的累积效应，增进认识水库大坝拦截和热分层对河流水文过程的影响，提高水库调度管理能力。
1 材料与方法
1.1 研究区概况与采样方法
选择长江-金沙江下游的4座大型梯级水库展开研究，上游至下游依次为乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝水库，水库基本呈首尾相联，位于川、滇两省交界处（图1），其中乌东德库区属于典型的干热河谷气候区，年均气温较高，在20~27℃之间，年均降水量小，仅为600~800 mm，年均潜在蒸发量约为3850 mm，远大于降水量[30]。
乌东德和白鹤滩水电站于2021投入生产，分别是世界第7和第2大水电站。溪洛渡和向家坝水电站分别于2015年和2012年建造完成，溪洛渡是世界第三大水电站。4座水库中，白鹤滩水库的正常蓄水库容（190.06 亿m3）最大，HRT（57.44 d）最长。从上游到下游，4个梯级水库在各坝址断面的年平均流量分别为3830、4090、4380和4570 m3/s。
图1研究区域采样点分布（W、B、XL、XJ依次代表乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝，下同）
Fig.1Distribution of sampling sites in the study area (W, B, XL, XJ represents Wudongde, Baihetan, Xiluodu and Xiangjiaba in turn, the same below)
2023年6月底至7月初，对4个梯级水库进行分层采样，水库中沿程共计21个采样断面（图2），4座梯级水库均为狭长形河谷型水库，纵向上考虑河流形态变化及支流的汇入影响，在有支流汇入的干流下游水域布设监测采样点。现场采用多参数分析仪（YSI）测定垂向水库水温、溶解氧和pH等。
为了解深大水库氢氧同位素在深度上的变化，首先通过YSI测定垂向水温，确定变温层深度，分别在表层、底层及变温层内进行水样采集。20 m以上深度分为4层，分别为表层、5 m、10 m和20 m，20 m以下深度分1~3层不等，详见图2。
图2采样点垂向剖面示意图（标号为1的垂线表示近坝位置）
Fig.2Schematic illustration of vertical profile of sampling sites (The vertical line with the label1 indicates the location of the near dam)
1.2 测试与分析方法
1.2.1 氢氧同位素测定
在中国水利水电科学研究院水生态环境研究所进行氢氧同位素测定，将水样经0.45 μm滤膜过滤后，用LGR液态水同位素分析仪（DLT-100，型号: 908-0008）测试分析氢氧同位素组成，测量的结果δ用V-SMOW的千分之差来表示，δD和δ18O的精度分别为±0.6‰和±0.2‰。
1.2.2 同位素溯源模型
采用贝叶斯混合模型（MixSIAR），来计算氢氧同位素中不同水源的贡献率。MixSIAR模型由3个子模型构成，每个子模型有一个给定参数的数据采样模型和先验分布，并使用g（·）来识别一般的概率分布[25]。基本方程详见公式（1）~（4）：
(1)
(2)
(3)
(4)
式中，LS代表来源，为来自第s个源总体的随机样本，样本大小为Ks，δs为来源中的氢氧同位素值，是KS个多元正态密度的乘积，先验g（δs，Σs）需要指定，LD代表被富集/消耗的量，和的同位素值分别在N（δDe，ΣDe）和N（δTe，ΣTe）分布，LC代表混合数据。
1.2.3 α指标法
通过年平均径流量和水库总库容的比值判断水库结构类型，了解水库水温分层的稳定性。
(5)
当α＜10时，为稳定分层型水库；当10≤α≤20时，为过渡型水库；当α＞20时，为混合型水库。
1.2.4 同位素补给高程计算方法
根据同位素值与高程变化曲线，可以求得某一采样点的补源给高程，计算公式为：
(6)
式中，H代表补给源高程（m），h代表采样点标高（m），k代表同位素随高度的变化梯度（n%/m），ζs代表采样点的同位素值，ζp代表大气降水的同位素值。
1.2.5 库区垂向二维水动力-水温模型
为探究同位素垂向分异的动力学驱动机制，构建了溪洛渡水库垂向二维模型（CE-QUAL-W2），对年内的水动力、水温等进行模拟。流量、水位及气象等数据来源于水文年鉴和中国长江三峡集团有限公司。同时，采用ERA5数据集分析研究区的蒸发作用。
2 结果分析与讨论
2.1 水库同位素来源及量化分析
2.1.1 水库同位素来源
研究区域δ18O和δD值的变化范围分别在-15.91‰~-10.38‰和-128.30‰~-96.40‰之间，平均值分别为-13.72‰和-106.86‰。图3中大部分的数据点分布在金沙江下游流域大气降水线（CLMWL）右下方，水库主要受到大气降水的作用。水库δ18O-δD数据点离散程度较大，重同位素富集，表明梯级水库中的氢氧同位素可能受到蒸发富集作用的影响。
Craig于1961年首次提出全球大气降水线（GMWL）：δD=8δ18O+10[7]。Dansgaard于1964年提出了降水稳定同位素的5大效应：温度效应、纬度效应、大陆效应、高程效应以及降水量效应[36]。金可等根据金沙江下游流域大气降水中氢氧同位素数据，得出CLMWL：δD=6.98δ18O-1.33（R2=0.91，n=221）。CLMWL的截距和斜率小于GMWL，说明当地大气降水受到了非平衡的二次蒸发作用[26，30]。
丰水期，水库水体的δ18O和δD均值显著低于流域大气降水和上游攀枝花丰水年丰水期水体的同位素值，但与枯水年丰水期攀枝花水体的同位素值相近（表1、图3），表明除了大气降水，水库还存在其他水源补给。金沙江发源于格拉丹东雪山，受到冰川的融水补给，源头雪山（格拉丹东、普若岗日冰原、可可西里马兰）的冰川δ18O均值为-15.2‰[27]，低于水库水体的δ18O均值，表明冰川融水是水库水体的另一补给来源。
表1丰、枯水年攀枝花水体氢氧同位素组成
Tab.1 Hydrogen (δD) and oxygen isotope (δ18O) in water of Panzhihua in wet and dry years
Fig.3Relationship between δ18O and δD in the study area during wet season (Data on atmospheric precipitation during the wet season in the lower reaches of Jinsha River are from literature [28])
丰、枯水年/期不同补给来源的占比发生变化，金沙江下游水体的氢氧同位素值具有明显的年际变化和季节变化特征。枯水年高温干旱，降雨产流减小，冰川消融强烈，水库上游攀枝花断面水体的同位素值呈现丰水年高于枯水年的年际变化特征（图3）。2023年为偏枯水年，丰水期水库水体的同位素均值与枯水年丰水期攀枝花水体的同位素值相近，推测水库水体同位素值具有与攀枝花水体相似的丰水年高于枯水年的特征。同样，丰水期大气降水占比增加，攀枝花丰水期（2006年8月）水体的δ18O和δD值 [29]高于枯水期（2006年4月）（表1）[30]。丰水期，离攀枝花最近的、受梯级水库影响相对小的乌东德库尾W4垂线的δ18O和δD均值（-13.7‰和-107.7‰）与攀枝花枯水年的丰水期水体同位素值接近，水库水体与上游攀枝花水体具有相似的季节变化特征，即丰水期水体的δ18O和δD值高于枯水期。
2.1.2 水源的量化分析
因一期采样数据量有限，本次监测时段代表了金沙江下游段枯水年的丰水期，采用MixSIAR模型来量化丰水期研究区两大主要水源：大气降水和冰川融水的贡献率。将丰水期监测的所有数据输入模型，丰水期雷波和元谋大气降水同位素值作为大气降水来源[31-32]，因缺乏源头雪山的δD值，以丰水期横断山脉明永冰川的同位素值[33]代替源头雪山作为冰川来源，得到研究区调查时段大气降水和冰川融水的贡献率分别为89.8%和10.2%。
丁悌平等估算枯水年（2007年7月）上游青海玉树的直门达水文站冰川融水比例为40%[34]。根据收集的径流资料做线性推算，直门达水文站2007年的径流量为4.35×1010 m3/a，乌东德水库上游的三堆子站和向家坝水库附近的屏山站当年的径流量约为直门达水文站径流量的2.4和3倍，估算出三堆子站冰川融水比例约为17.0%，屏山站约为13.5%，与MixSIAR模型结果大致相近，体现了计算的合理性。
2.2 水库同位素空间分布及分层
根据α指标法判定水库分层类型，白鹤滩水库属于稳定分层型，溪洛渡水库属于过渡型，乌东德和向家坝水库属于混合型。对4个深大水库的监测表明，6月底水库出现了垂向的热分层现象，水库分层稳定性由高至低分别为：白鹤滩、溪洛渡、乌东德和向家坝水库。
受到水库的热分层影响，表层水体重同位素富集，将水库同位素值按深度进行分层，除了溪洛渡水库外，其他水库的同位素组成没有明显的分层现象（图4）。乌东德水库HRT相对较短（17.71 d），同位素值分层不明显，δ18O和δD值波动范围分别为-14.89‰~-10.38‰和-124.97‰~-105.59‰。除表层水体外，坝前W1垂线的各层水体均显示出一定的氧漂移和较低的δD值。
图4金沙江梯级水库分层期间不同位置δ18O和δD值的相关关系
Fig.4Relationship between δ18O and δD at different areas in the stratified cascade reservoirs in Jinsha River
白鹤滩水库的热分层最稳定，但同位素值分层不明显。在相对较长的HRT（57.44 d）下，蒸发作用不断累积，白鹤滩出库水体δ18O和δD值（-14.89‰和-105.59‰）大于入库水体（-15.64‰和-110.60‰），δ18O和δD值的变化区间分别为-15.51‰~-13.95‰和-128.3‰~-103.68‰。忽略与W1垂线具有相似特征的库尾B4垂线的数据，白鹤滩的采样点大致沿CLMWL分布，在垂向上表现出：出库水体＞变温层＞表温层＞滞温层＞入库水体的分层特征（＞表示偏正），与前人研究结果相似，即水库同位素值从表层向底部逐渐贫化[35]。
大库容的白鹤滩水库对下游起调和作用，使得溪洛渡水库的同位素值波动较小，水样点分布较为集中，δ18O和δD值波动范围分别为-14.71‰~-13.23‰和-106.84‰~-97.95‰。同时溪洛渡水体具有乌东德水库两倍的HRT，为水库的分层创造了良好的条件。溪洛渡水库的δ18O和δD值在垂向上的分布特征均为：滞温层＞入库水体＞出库水体＞变温层＞表温层，同位素值从入库到出库，从底层到表层逐渐偏负。
水深和HRT最小的向家坝水库同位素值无明显的分层现象，δ18O和δD值的变化区间分别为-14.42‰~-11.04‰和-114.36‰~-96.40‰。向家坝水库大部分采样点沿着GMWL分布，部分表层和坝前XJ1垂线的水体发生了氧漂移，同位素特征表现为出库水体＞入库水体。
2.3 表层水体同位素变化特征及影响因素
水库表层水体承纳大气降水和蒸发富集，氢氧同位素组成沿河流方向呈现出特定的变化模式。水库表层水温有先升高后降低的趋势，其中白鹤滩的平均水温（27.72℃）明显高于其他水库（图5）。通常，大气降水中的同位素受水汽来源、降水量、温度和高程等因素的共同作用[36-37]。金可等[30]的研究表明金沙江下游流域大气降水中的同位素值受气温和降水量的影响较大，并给出金沙江流域的大气降水氢氧同位素值与高程梯度的线性方程：δ18O=-0.0015H-6.04（图6），即金沙江流域海拔每升高100 m，δ18O值降低0.15‰。然而，水库δ18O值均落在高程梯度线性方程的下方，且δ18O值与海拔呈正相关关系（R2=0.21），与高程效应相悖，表明高程效应对水库的影响不大。
图5金沙江梯级水库表层水体水温、δ18O、δD和d-excess值沿程变化
Fig.5Variations of surface water temperature, δ18O, δD and d-excess of cascade reservoirs in Jinsha River
在雨水“反温度效应”和“降水量效应”的共同作用下，δ18O值呈现出与水温相反的先降低后升高的趋势，乌东德水库δ18O均值（-11.15‰）最高，白鹤滩水库δ18O均值（-15.36‰）最低，乌东德与白鹤滩δ18O值的较大差异，体现了乌东德水库受到较强的蒸发富集作用。筑坝后蒸发作用加强，在一些景观水体也表现出同位素值比自然河流更富集[38]。
水库所有采样点的氘盈余（d-excess=δD-8δ18O）均值为2.88‰，低于全球d-excess均值（10‰），表层水体d-excess值从小到大依次为：乌东德（-26.40‰）、向家坝（2.21‰）、溪洛渡（8.93‰）、白鹤滩（13.77‰），乌东德的蒸发分馏效应最强（图5）。d-excess值可以反映区域水体受到蒸发富集的程度[36]。降水中d-excess值比δ18O值更加稳定，随着蒸发量的增加d-excess值减小[39]。d-excess出现负值表明水库水体受到了强烈的蒸发分馏作用。乌东德和向家坝水库的表层水体d-excess存在负值，并在坝前显著上升，表明在水库的中下段水体蒸发作用最强，在坝前区域相对减弱。采用ERA5数据集，金沙江下游流域月均水面蒸发量依次为乌东德＞白鹤滩＞溪洛渡＞向家坝（图7）。
图6金沙江梯级水库δ18O同位素高程效应
Fig.6Elevation effect of δ18O of cascade reservoirs in Jinsha River
图7金沙江下游流域6月水面蒸发量
Fig.7Water surface evaporation in the lower Jinsha River basin in June
2.4 分层水库同位素垂向分布及驱动分析
2.4.1 垂向分层特征
水库发生热分层后，水体混合减弱，同位素值在垂向上差异较大（图8）。乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝的变温层分别在80~100、50~80、60~90和60~90 m之间。乌东德和白鹤滩水库均具有双层变温结构（10 m），乌东德水库表层10 m处水温由水面的23.2℃下降到21℃，白鹤滩水库水面与10 m处的温差较大（5.9℃），溪洛渡水库变温层温差为3.6℃，向家坝水库变温层平均水温为18.5℃，温差为2.92℃。
乌东德和白鹤滩水库的10 m处δ18O值显著降低，随后呈不同程度上升，溪洛渡和向家坝水库也具有类似的特征（图8）。与δ18O值不同的是，乌东德和白鹤滩水库在10 m处的δD值明显上升，推测这一现象与水库的水动力特征有关。由于水文资料滞后，以溪洛渡水库为例对2021年水文和水温过程进行模拟，揭示深大水库于丰水期热分层后垂向同位素值的动力学驱动机制。
通过对溪洛渡水库水动力和水龄进行模拟，发现水库形成稳定的分层后，水库表温层存在流速较快的水平流，同一垂线中10 m处的水体相对较新，同位素值表现出不同的特征。乌东德库尾附近W4垂线的δ18O值总体上小于坝前W1垂线，W1垂线10 m处δ18O值相对较低，继承了上游W4垂线较低的δ18O值，δD值变化同理。
表温层的中下水域纵向流速相对较高，同样水体更新较快，丰水期6月下旬来水在库尾XL5垂线的流速大于近坝XL1垂线，而XL1垂线的滞温层水体几乎未受到丰水期来水的影响，水体滞留，比表温层水体滞后了近3个月（图9），与谢奇珂的模拟结果相似[40]。
乌东德、溪洛渡和向家坝水库坝前垂线的δ18O值随深度的增加而增大，白鹤滩水库坝前的δ18O和δD值呈现出随深度的增加而减小的趋势，符合强蒸发富集作用的垂向特征。溪洛渡水库近库尾的XL5垂线受同位素值偏正的丰水期来水的影响，变温层附近的δ18O和δD值明显升高。相对于XL5，近坝XL1垂线受丰水期来水影响较小，在变温层附近仅δD值明显升高。XL1垂线的底层水体滞留，理应具有偏枯水期的较低同位素值，但其呈现出接近甚至高于变温层的δD值，因此，XL1垂线的底层可能存在地下水输入。乌东德水库近坝W1垂线的δD和δ18O值具有与溪洛渡水库近坝XL1垂线相似的变化特征，乌东德坝前区域也可能存在地下水的入渗。热分层最稳定的白鹤滩水库，近坝B1垂线受丰水期来水影响，水深10 m以下的表温层δ18O和δD值逐渐升高，滞温层水体滞留，同位素值偏负。向家坝水库的同位素值在变温层附近也呈现出上升的趋势。
图8金沙江水库水温、δ18O和δD的垂向变化
Fig.8Vertical variation of water temperature, δ18O and δD in the cascade reservoirs in Jinsha River
图92021年6月30日溪洛渡水库流速（a）和水龄（b）分布
Fig.9Profile of velocity (a) and water age (b) distribution of Xiluodu Reservoir on June 30, 2021
2.4.2 地下水输入影响
通常，沿河流方向同位素值会因蒸发作用的影响和HRT的增长而呈现上升的趋势。在乌东德近坝W1垂线的δD值明显低于库尾附近W4垂线，此外，W1垂线和白鹤滩近库尾B4垂线的δD值随水深的增加而显著降低，W1垂线的δD值从表层的-114‰降低至底层的-124.97‰。表明乌东德水库的坝前区域和白鹤滩库尾区域可能存在地下水汇入，导致水库底层水体的δD值异常偏低。
金沙江下游流域δ18O和δD的高程梯度分别为-0.15‰/100 m和-1.05‰/100 m[28]，根据氢氧同位素与高程的关系，得出水库水体的补给源高程（表2）。乌东德水库近坝W1垂线和溪洛渡水库近库尾B4垂线的底层水体补给高程接近，比W4和B1垂线高出1 km以上，即W1、B4垂线和W4、B1垂线的补给来源不同。溪洛渡水库近坝前XL1垂线的补给高程略高于近库尾XL5垂线。
表2底层水体的补给源高程
Tab.2 Recharge source elevations of the bottom water
乌东德水库蓄水前后，坝址区域均受到地下水的影响，近坝址W1垂线和白鹤滩近库尾B4垂线的δD值变化特征与地下水的输入有关。在乌东德水电站施工过程中，坝址区域存在稳定流量达200 m3/h的岩溶地下水[41]。在水库蓄水之后，于2020年6月发现渗漏问题，渗漏水来源主要为远源地下水补给[42]。
2.5 梯级水库的累积效应
从库尾至坝前，乌东德、白鹤滩和向家坝库区内的δ18O值均具有逐渐升高的趋势（图8）。这与前人研究一致，如三峡水库干流的同位素值从上游（宜宾）到下游（巫山）逐渐富集重同位素[43]。丰、枯水期，澜沧江云南段水体δD值和δ18O值均有沿程升高的趋势[44]。乌东德近坝前W1垂线的δ18O均值为-12.99‰，高于库尾W4垂线的δ18O均值（-13.72‰）。白鹤滩近坝前B1垂线的δ18O均值（-14.63‰）高于库尾B4垂线（-14.87‰），向家坝的δ18O均值从大到小依次为：库尾XJ1垂线（-12.73‰）＞XJ4垂线（-13.27‰）＞XJ6垂线（-13.77‰）＞坝前XJ8垂线（-13.96‰）。
梯级水库蓄水后，随着水体滞留时间的增加，库区水体的蒸发富集作用增强，在梯级水库群的累积下，同位素值具有沿程增加的趋势（图5）。
4座梯级水库的总HRT约为4个月（125 d），水体中氢氧同位素的富集程度相对增强，整体上，δD和δ18O值从上游到下游逐渐升高，类似乌江蓄水后梯级水坝的累积效应使河段的δD和δ18O从上游到下游呈现锯齿状增强[15]。在梯级大坝的累积作用下，δD值从乌东德到向家坝水库逐渐升高，表层水体的δD均值依次为乌东德（-115.62‰）＜白鹤滩（-109.08‰）＜溪洛渡（-104.00‰）＜向家坝（-100.66‰）。表层水体的δ18O值呈现阶梯式上升，在较强的蒸发分馏作用下，乌东德的δ18O均值最高，δ18O均值依次为白鹤滩（-15.36‰）＜溪洛渡（-14.12‰）＜向家坝（-12.86‰）＜乌东德（-11.15‰）。
3 结论
本文对金沙江下游4座梯级水库丰水期分层期间的氢氧稳定同位素进行采样分析，探究了热分层水库中δ18O和δD值的空间分布特征，结合数值模型，揭示了梯级水库的层化和累积效应的驱动及影响因子。
1）金沙江下游乌东德-向家坝段，在枯水年的丰水期表现出较低的同位素值，δ18O和δD值变化范围分别在-15.91‰~-10.38‰和-128.30‰~-96.40‰之间，主要来源为大气降水和冰川融水，占比分别为89.8%和10.2%。
2）水库分层期间，受蒸发、地下水入渗及支流等影响，同位素值呈现垂向异质化，表层主要为蒸发效应，乌东德水库最显著，表层水体d-excess均值低至-26.40‰，低于全球d-excess均值，某些区域受支流汇入影响，表层水体的δ18O和δD值低于变温层。表温层中下水域水体流速较快，HRT较短，携带上游丰水期的同位素值，而底部滞温层表现为冬、春季枯水期的同位素滞留特性。同时，乌东德水库坝前、白鹤滩近库尾和溪洛渡坝前的底部水域存在地下水的入渗作用。
3）梯级水库不断累积蒸发效应和HRT，导致乌东德、白鹤滩和向家坝水库的δ18O均值呈现出坝前高于库尾的特征，且表层水体δ18O值沿河流方向呈先降低后升高的波动增长趋势。表层水体δ18O均值依次为白鹤滩（-15.36‰）＜溪洛渡（-14.12‰）＜向家坝（-12.86‰）＜乌东德（-11.15‰）。δD值从上游到下游逐渐升高，δD均值依次为乌东德（-115.62‰）＜白鹤滩（-109.08‰）＜溪洛渡（-104.00‰）＜向家坝（-100.66‰）。
